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如何构建700 Wh kg−1 级的可充电锂硫软包电池

时间： 2022-10-09 19:11:30 来源：

导读大家好，小科来为大家解答以上问题。如何构建700 Wh kg−1 级的可充电锂硫软包电池这个很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！解答

大家好，小科来为大家解答以上问题。如何构建700Whkg−1级的可充电锂硫软包电池这个很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

解答：

1、背景

2、锂硫电池具有2600Whkg1的超高理论能量密度，被认为是极具潜力的下一代二次电池系统。文献中报道的锂硫电池的最高实际能量密度在软包装电池的规模上已经超过500Whkg-1，远远超过锂离子电池的水平。然而，锂硫电池的实际能量密度与理论能量密度2600Whkg1相差甚远。进一步提高锂硫电池的能量密度，对于推动锂硫电池在电动飞机等场合的实际应用具有重要的意义和价值。

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4、结果显示

5、近日，北京理工大学李伯权研究团队成功构建了700Whkg-1二次锂硫软包电池。柔性电池采用7.4MGScm2高硫负载正极、50微米厚锂金属负极(N/P约为1)和贫电解液(e/s比=1.7gelectolytegs1)的条件。基于动力学加速器的引入，实现了柔性电池1563mAhg-1的超高放电比容量和695Whkg-1的实际能量密度(基于柔性电池所有材料的总质量)，该工作以“构建700Whkg1级可回收文献——硫囊电池”为题发表在《能源化学》上，第一作者为北京理工大学研究生钱成。

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7、图形指南

8、首先，设计了高能量密度锂硫柔性电池的参数，用以指导700Whkg-1柔性电池的组装。软包电池的正极硫含量为63wt%，单侧硫负荷为7.4MGScm2，负极金属锂的单侧厚度为50微米，电解液与硫的质量比低至1.7gelelectrolytegs1(图1a)。柔性电池由9个双面正极和10个双面负极组成，容量设计为6Ah(图1b)。研究人员评估了电池各部分材料的质量比(图1c)。组装后的柔性电池装置长度为74.02毫米，厚度为6.21毫米(图1d)。图1700WhKG1锂硫柔性电池关键设计参数。(a)正极、负极和电解液的设计参数。(b)柔性电池的电池结构。(c)柔性电池各部件的质量比。70WhKG1锂硫柔性电池的光学照片(D)俯视图和(E)侧视图。研究人员评估了锂硫柔性电池在恒流充放电条件下的性能。组装的锂硫软包装电池实现了1563mAhG1的放电比容量，实际放电容量和能量分别为5.84Ah和12.63Wh。首次放电的实际能量密度为695Whkg-1(图2a和2b)。与其他作品相比(图2c)，该作品实现的695Whkg-1的超高能量密度显著领先，实现了锂硫电池能量密度的新突破。图二。700WhKG1锂硫软袋电池的性能。(a)电池的关键性能参数。(b)第一次循环放电曲线。(c)与其他已报道工作的能量密度相比较。本文进一步分析了电池的循环性能。在前三次循环中，柔性电池保持稳定运行，其放电比容量和极化相对稳定(图3a)。在第四次放电循环中，放电平台的极化显著增加，放电电压急剧下降到截止电压，导致柔性电池失效。通过分析循环过程中第一和第二放电平台的比容量(图3b)，发现第一放电平台的比容量基本保持不变，而第二放电平台的比容量逐渐降低。综合以上结果，初步推测软包装电池失效是由溶解的高阶多硫化物被还原为Li2S的液固转化过程引起的。图3700WhKG1锂硫柔性电池的循环性能。(a)充放电极化曲线。(b)平台1和平台2的放电比容量比较。为了进一步探索软包装电池的失效机理，将失效后的电池在荷电状态下拆解，分析了电池的形貌、硫物种、剩余容量和电极动力学。与非循环正极相比(图4a)，循环正极保持了相对完整的结构(图4b)，碳材料制成的导电骨架也保持良好(图4c)。循环前后的厚度变化为30微米(图4d)，这表明硫阳极在循环过程中保持了结构的相对完整性。循环后的锂阳极从光滑的表面(图4e)变为不均匀的锂沉积形态(图4f)，并且在循环后的锂阳极表面上观察到大量的锂枝晶(图4g)。此外，锂金属阳极的厚度从两侧的100微米变为220微米，体积膨胀率为120%(图4h)。根据以上观察，锂负极在循环过程中形貌发生了显著变化。图4循环后电极形态的表征。(a)非循环正极和(b)循环后充电正极的光学照片。(c)循环后充电的正极的表面和(d)横截面SEM图像。(e)非循环负极和(f)循环后带电负极的光学照片。(g)循环后负极表面的SEM图像和(h)截面。x射线光电子能谱(XPS)用于进一步确定循环后电极表面上的含硫物种。回收的充电正极包含硫化锂、多硫化物和氧化硫，并且硫

9、循环后正极的剩余放电比容量为1130mAhG1(图5c)。即使在10倍于软包电池电流密度的条件下，循环后正极的放电曲线仍呈现完整的双平台特征，表明正极反应动力学和剩余容量保持良好。循环后单面锂负极的剩余表面容量为7.8mAhcm-2(图5d)，其保持初始容量的75.7%，足以支持正极的后续循环。此外，锂解吸过电位在25mV以下，远低于失效柔性电池的总极化。所以循环后的锂负极也能支持软包的后续循环，不是导致电池失效的主要因素。根据我们研究小组之前的报告，低电解质条件会导致放电第二平台极化急剧增加，软包电池失效。根据以上结果，推测本次工作中软包电池失效是由于电解液耗尽造成的。循环后电极表面的硫形态分析和电化学性能测试。用DME洗涤后循环后，(a)充电的正极和(b)负极的S2pXPS光谱。(c)循环后重新组装的钮扣电池中的充电正极的第一次和第五次充放电极化曲线。(d)循环后重新组装的钮扣电池中的充电负极的脱锂极化曲线。

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11、总结

12、本工作成功构建了700Whkg-1可充电锂硫软包装电池。本工作采用高硫负载正极、超薄锂负极和低电解质用量，在6Ah级软包电池中实现了695Whkg1的实际能量密度，这是目前已发表论文报道的最高值。在稳定运行三个周期后，柔性电池由于在第二个放电平台极化突然增加而失效。通过软包装拆卸和失效分析，推测电解液耗尽是导致失效的关键因素。这项工作大大提高了锂硫电池的实际能量密度水平，展示了锂硫电池实现高能量密度的巨大潜力。

13、编辑：彭静

本文到此结束，希望对大家有所帮助。

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